“紫云英×油菜”混播还田及减施氮肥对双季稻田温室气体排放的影响

黄瑶 刘宁 胡启良 黄国勤 杨滨娟

（江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室/江西农业大学生态科学研究中心，江西 南昌 330045）

氮肥施用是影响农田温室气体排放的重要因素之一。我国是世界上最大的水稻生产国和氮肥消耗国，在农业生产过程中排放了大量温室气体［1-2］，所排放的温室气体占总量的45%［3］。施氮量直接或间接影响稻田温室气体排放［4］，合理施氮是最大程度减少温室气体排放的有效途径［5］。绿肥替代适量氮肥有利于稳定或提高双季稻产量并减少温室气体排放［6-8］。因此，研究绿肥混播还田模式下氮肥减施的温室气体排放，在保证水稻稳产的前提下实现稻田减排，对于缓解全球气候变暖和促进农业绿色可持续发展具有重要意义。“绿肥-早稻-晚稻”的稻田三熟制是南方典型种植模式［9］。Yang等［7］研究证明，用绿肥紫云英替代25%化学氮肥能有效减少温室气体排放。冯晓赟等［10］和Zhou等［11］研究证明，油菜秸秆还田配施适量的氮肥可以显著降低N2O的排放和综合温室效应。绿肥紫云英、油菜混播还田可以充分利用光照、温度、水资源和生态位的差异，为后茬水稻提供营养［12］。与单播绿肥相比，绿肥“紫云英×油菜”混播还田在传输养分、提高水稻产量和土壤肥力等方面效果更好［13］，且与其他绿肥混播模式相比，更具有可持续发展优势，可持续能值指数为0.031 5，综合效益更佳［11-14］。“3/4紫云英×1/4油菜-早稻-晚稻”是适合南方稻区的种植模式，有研究显示，“3/4紫云英×1/4油菜”混播还田下氮肥减施20%有利于水稻增产及土壤无机氮含量和优势细菌群落丰度的提高，对稻田减排增效有积极效果［13］。但前人研究多关注单一绿肥作物还田配合减氮下作物产量和温室气体排放，以及绿肥混播还田配合减氮对稻田土壤和微生物等的影响，缺少对多种绿肥混播还田配合减氮模式下稻田温室气体减排的研究，探讨绿肥混播还田模式下既能保证水稻稳产增产又能促进稻田温室气体减排的减氮水平具有重要意义。因此，本试验基于“紫云英×油菜”混播还田模式，研究不同减氮水平对双季稻田CH4和N2O排放通量的影响，同时分析双季稻产量及温室气体增温潜势，旨在为双季稻田温室气体减排提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年9月—2022年10月在江西农业大学科技园水稻试验田（28°46'N、115°55'E）进行，该地属于亚热带季风性湿润气候，气候湿润温和，日照充足，水稻生长期间日平均温度26.7 ℃，日均降雨量14.1 mm（图1）。试验地位于亚热带典型红壤分布区，土壤为发育于第四纪的红黏土，试验前表层0～15 cm土壤理化性状如下：pH值4.91±0.28，有机质（31.24±1.81）g·kg-1，全氮（1.89±0.14）g·kg-1，碱解氮（129.06±11.99）mg·kg-1，有效磷（12.12±1.17）mg·kg-1，速效钾（21.13±0.99）mg·kg-1。

图1 双季稻种植期间日平均气温与降水量变化Fig.1 Changes in daily mean temperature and precipitation during the planting period of double cropping rice

1.2 试验材料

早稻供试品种为中嘉早17（浙江勿忘农种业有限公司），晚稻供试品种为天优华占（北京金色农华种业科技有限公司），冬季作物紫云英为余江大叶籽（湖南都乐种业有限责任公司），油菜为中油821（固始县兴信种业有限责任公司）。

1.3 试验设计与实施

采用大田试验，在冬季种植“紫云英×油菜”还田的条件下，其中，各处理紫云英播种量均为17.5 kg·hm-2，油菜播种量均为2.5 kg·hm-2，紫云英和油菜混合播种，均匀撒播于田间，设置双季稻不施氮肥（CK）、施100%氮肥（150 kg·hm-2，N1MR）、减施20%氮肥（120 kg·hm-2，N2MR）、减施40%氮肥（90 kg·hm-2，N3MR）和减施60%氮肥（60 kg·hm-2，N4MR）共5个处理。具体试验处理见表1。每处理设3次重复，共15个小区，每小区面积为16.5 m2（5.5 m×3 m），小区间用高30 cm的水泥埂隔开，两边设有保护行，保护行宽度为30 cm。化肥种类及其用量参照当地常规施肥：氮肥（N）150 kg·hm-2，钾肥（K2O）120 kg·hm-2，磷肥（P2O5）90 kg·hm-2。氮肥（N）按基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶4∶3，钾肥（K2O）按分蘖肥∶穗肥=7∶3施入，钙镁磷肥（P2O512%）全部做基肥施入。早稻基肥、分蘖肥、穗肥分别于2022年5月1日、5月7日、6月14日施入；晚稻基肥、分蘖肥、穗肥分别于2022年7月28日、8月6日、9月12日施入。紫云英和油菜分别于2021年10月10日和11月9日均匀撒播，不进行施肥和收获，并在水稻移栽前15 d将绿肥鲜草翻压还田。早稻于2022年3月23日育苗，5月2日移栽，7月23日收获；晚稻于2022年6月25日育苗，7月30日移栽，10月30日收获。除施肥管理以外的农田管理措施与该地常规管理一致。

表1 “紫云英×油菜”混播还田模式下氮肥减施试验设计Table 1 Experimental design of nitrogen fertilizer reduction under mixed sowing of Chinese milk vetch×rapeseed returning to the field/（kg·hm-2）

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻考种及测产 在早晚稻成熟时期，每个小区随机抽取20蔸植株，以此为基础计算水稻的有效穗数，采用平均法从每个小区随机选取具有代表性的5蔸植株进行风干作为考种材料，每小区单打实收作为实际产量。

1.4.2 温室气体采集与测定 采用静态暗箱-气相色谱法在双季稻生育期内平均每7 d测定田间小区温室气体排放，静态箱底横截面积为50 cm×50 cm，采样箱体由304不锈钢材质制成，箱体高度随水稻高度而增加。采样箱箱内安有一个小电扇用于混匀箱内气体，箱子顶部设有三个松紧阀，分别为风扇电池接口、温度计插口、采气孔，外部包有白色海绵绵罩，防止太阳照射导致箱内温度变化过大。采样前将采样箱置于事先埋好的底座上，采样时用100 mL注射器来回抽5～10次以混匀气体，随后抽取50 mL气体样品到气袋中，分别在箱体密闭后0、10、20和30 min采集4个连续样品，并记录箱内温度和箱内底座到水面的高度，用A7890b气相色谱仪（美国Agilent公司）于3 d内完成CH4、N2O浓度测定。温室气体排放通量用公式（1）计算［15］：

式中，F为温室气体排放通量（μg N2O·m-2·h-1，mg CH4·m-2·h-1）；p为标准状态下温室气体的密度（kg·m-3）；H为密闭箱高度（m）；Δc/Δt为单位时间密闭箱内温室气体浓度的变化量；T为密闭箱内平均温度（℃）。

根据气样浓度与时间的关系曲线计算两种温室气体的排放通量，然后按照公式（2）计算水稻生长季的温室气体累积排放量［16］：

式中，Fi和Fi-1分别为第i次和第i-1次温室气体排放通量（μg N2O·m-2·h-1，mg CH4·m-2·h-1）；di+1和di分别为第i+1次和第i次采样天数；24为每天的总小时数。

全球增温效应：采用联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）推荐的综合增温潜势计算CH4和N2O在100年尺度的综合增温效应，将CH4和N2O的排放量（FCH4和FN2O）分别乘以27.2和273再相加，得到CO2排放当量（carbondioxide equivalence，CO2-eq），即为两种温室气体的综合增温潜势（global warming potential，GWP）（kg·hm-2）。计算公式如下［17］：

按照公式（4）计算温室气体综合排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）（kg CO2·kg-1）［18］：

式中，Y为生物量（kg·hm-2）。

1.5 数据处理

不同处理各指标使用Microsoft Excel 2016进行数据运算，应用SPSS 26软件进行数据处理和统计分析，采用最小显著差异法（least-significant difference，LSD）进行显著性检验，用Origin 2022软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施对水稻产量和地上部生物量的影响

由表2可知，与CK相比，所有处理均显著提高了早、晚稻产量（P＜0.05）。在早稻季，以氮肥减施20%处理（N2MR）的水稻产量最高，达5 553.5 kg·hm-2，较CK显著提高36.0%（P＜0.05），但氮肥减施处理间差异不显著；施氮肥处理N1MR、N2MR、N3MR和N4MR地上部生物量分别较CK显著提高26.4%、33.7%、28.2%和24.0%。在晚稻季，以氮肥减施40%处理（N3MR）的水稻产量最高，达8 722.6 kg·hm-2，较CK显著提高18.9%；各处理间地上部生物量均无显著差异。与早稻季相比，晚稻季水稻产量和地上部生物量均有所提高。

表2 氮肥减施对水稻产量和地上部生物量的影响Table 2 Effects of nitrogen fertilizer reduction on rice yield and aboveground biomass/（kg·hm-2）

从两季总产量来看，以氮肥减施20%处理的水稻产量最高，分别较氮肥减施60%处理（N4MR）和CK显著提高6.8%和24.2%（P＜0.05）。与CK相比，施100%氮肥、氮肥减施20%、氮肥减施40%和氮肥减施60%处理的两季水稻总产量分别显著提高了22.5%、24.1%、23.8%和16.2%，地上部生物量总量分别显著提高了14.9%、16.9%、13.6%和11.3%。

2.2 氮肥减施对双季稻田CH4排放通量的影响

由图2可知，由于早稻季有大量冬季绿肥还田，且晚稻季试验地出现严重旱灾，早、晚稻田CH4排放呈现不一致的排放规律。在早稻生长期间，与CK相比，施100%氮肥、氮肥减施20%、氮肥减施40%和氮肥减施60%处理的CH4排放通量平均值分别降低了40.2%、57.5%、53.1%和41.4%。稻田CH4排放在水稻移栽（5月2日）后逐渐增加，CK CH4排放通量在5月24日达到第一个峰值，为46.9 mg·m-2·h-1，施氮肥处理在5月31日达到第一个峰值。所有处理均在6月23日（孕穗期）出现最大峰值，在该最大峰值中，CK的CH4排放通量最高，氮肥减施20%处理最低，低于CK 54.5%。在7月15日后，各处理CH4排放通量基本稳定在较低水平，保持在-0.1～0.1 mg·m-2·h-1之间（图2-A）。

图2 氮肥减施对CH4排放的影响Fig.2 Effects of nitrogen fertilizer reduction on CH4 emissions

晚稻生育期内，CH4排放在水稻分蘖期较为集中，其余时期CH4排放较少，维持在-0.1～2.4 mg·m-2·h-1之间。在施用基肥和分蘖肥后，CH4排放通量于8月7日达到最大峰值，同时也是整个晚稻季CH4排放最高峰，其中CK排放通量最高，氮肥减施20%处理的排放通量最低，分别为65.7和15.6 mg·m-2·h-1。此外，CK、施100%氮肥、氮肥减施20%、氮肥减施40%和氮肥减施60%处理的CH4平均排放通量分别为10.6、4.1、3.5、6.9和9.0 mg·m-2·h-1，分别较早稻减少了134.1%、259.5%、205.5%、69.7%和61.2%（图2-B）。

2.3 氮肥减施对双季稻田N2O排放通量的影响

由图3-A可知，在早稻生育期内，所有处理N2O排放主要集中在晒田期（7月8日～7月22日），而分蘖期（5月7日～6月14日）和孕穗期（6月15日～7月7日）N2O排放则处于较低水平，这是由于稻田前期处于淹水状态，N2O排放较少。在施用分蘖肥（5月7日）后的第10天，所有施肥处理均出现一个N2O排放小高峰。5月24日到7月8日N2O排放较为稳定，排放通量为-24.6～26.1 μg·m-2·h-1。7月8日后处于晒田期，稻田N2O排放通量迅速上升，各处理N2O排放通量均在7月15日达到最大，以施100%氮肥处理最高，达558.1 μg·m-2·h-1，CK最低，为51.7 μg·m-2·h-1，随后所有处理N2O排放通量均下降。综上，稻田N2O排放在水稻分蘖期和晒田后的干湿交替期间较多。

图3 氮肥减施对N2O排放的影响Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer reduction on N2O emissions

由图1和图3-B可知，晚稻期间稻田处于干旱状态，人为灌溉导致稻田处于干湿交替状态，晚稻田N2O排放呈现上升-降低-上升-降低的循环变化规律。在施入分蘖肥（8月6日）后第14天出现N2O排放高峰，以施100%氮肥处理的N2O排放通量最大，CK最小，分别为18.3和2.7 μg·m-2·h-1。随后在施用穗肥（9月12日）后13 d出现排放最高峰，以施氮100%处理最大，达37.5 μg·m-2·h-1，同时也是整个晚稻季N2O排放的最高峰。此外，施氮100%处理在10月9日的排放高峰中仍为此次的最大值，达33.5 μg·m-2·h-1。

2.4 氮肥减施对双季稻田温室气体排放总量、GWP和GHGI的影响

综合早、晚稻两季的结果（图4），与CK相比，所有处理均显著增加了稻田N2O累积排放量，显著降低了稻田CH4累积排放量（P＜0.05）。早、晚稻田各处理CH4累积排放量范围分别为230.3～479.8 kg·hm-2和84.5～277.1 kg·hm-2，其中氮肥减施40%处理早、晚稻田的CH4累积排放量较CK降低幅度最大，分别降低了52.0%和69.5%。氮肥减施20%处理的早、晚稻两季CH4累积排放量最低。综合而言，氮肥减施20%处理的CH4减排效果最好。早、晚稻各处理N2O累积排放量范围分别为0～0.6和0～0.2 kg·hm-2，两季N2O累积排放量均以施100%氮肥处理最高，CK最低。氮肥施用量越少，N2O累积排放量越低，说明降低施氮量能够有效降低稻田N2O累积排放量。施氮处理以氮肥减施60%处理的早、晚稻总N2O累积排放量最低，较CK显著提高520.0%。综上，氮肥减施60%处理的N2O减排效果更好。

图4 氮肥减施对CH4和N2O累积排放量、100 a尺度上的GWP和GHGI的影响Fig.4 Effects of nitrogen fertilizer reduction on the cumulative emissions of CH4 and N2O，GWP，and GHGI at the 100 a scale

由图4可知，100 a尺度上的全球增温潜势（GWP）与CH4累积排放量趋势一致，与N2O累积排放量相比，CH4累积排放量对GWP的贡献更大，同时，早稻各处理的GWP均高于晚稻。施氮处理较不施氮处理（CK）均显著降低了早、晚稻稻田GWP（P＜0.05）。此外，氮肥减施20%处理的GWP总量显著低于施100%氮肥、氮肥减施40%和氮肥减施60%处理，降低幅度达到16.5%～40.8%，可见氮肥减施20%处理的减排效果最显著（P＜0.05）。施氮处理均较CK显著降低了早、晚稻季和两季总量GHGI，降低幅度为22.3%～71.9%（P＜0.05），氮肥减施20%处理的GHGI总量显著低于氮肥减施40%和氮肥减施60%处理（P＜0.05），降低幅度分别为24.6%和43.2%。因此，基于早、晚稻稻田温室气体累积排放总量，氮肥减施20%处理的减排效果最佳。

3 讨论

3.1 氮肥减施对双季稻产量及地上部生物量的影响

本研究发现，与CK相比，“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施20%～40%下的水稻有增产趋势。与前人有关绿肥还田模式下氮肥减施20%～40%能够保证水稻稳产的结果一致［19-20］。可能是由于“紫云英×油菜”混播还田后释放的养分较多，促进了水稻对养分的吸收利用，协调植株与土壤之间的养分动态需求，满足水稻在不同生长时期的养分需求，从而提高后茬作物产量［21］。如表2所示，施氮肥处理水稻产量和地上部生物量显著高于CK，说明“紫云英×油菜”混播还田不能完全替代氮肥对于作物稳产和增产的作用，且氮肥减施量不同也会在一定程度上影响作物产量。综上，本研究中“紫云英×油菜”混播还田模式下配合氮肥减施20%～40%在水稻稳产增产方面表现最佳。

3.2 氮肥减施对双季稻田CH4和N2O排放特征及累积排放量的影响

本研究发现，绿肥还田配施氮肥处理早、晚稻田CH4排放显著低于不施氮肥处理（图4）。可能是由于绿肥还田后进行分解，从而为产甲烷菌提供了充足的底物，促进CH4的排放［22］，但绿肥配施氮肥能够为稻田耕层土壤提供充足的氮素，导致土壤中CH4在被氧化的过程中消耗增加，从而降低了CH4排放［23］。这与Zhu等［24］、胡安永等［15］的研究结果相似。但也有研究表明稻田CH4排放随施氮量的增加而增加［25-27］。此外，氮肥减施20%的CH4累积排放量显著小于其他施氮处理，与胡安永等［15］的研究结果一致，即在紫云英还田条件下，施氮120 kg·hm-2时的CH4排放量最小。CH4的产生是产甲烷细菌在严格厌氧条件下作用于产甲烷底物的结果［28］。本试验中，如图2所示，早、晚稻CH4在晒田期排放较少，甚至出现负排放，是因为晒田期稻田土壤处于曝气状态，良好的通气环境导致土壤氧化还原电位被提高，甲烷菌的生存条件遭到破坏，CH4较少甚至不排放［29］。同时，晚稻季CH4累积排放量小于早稻季CH4累积排放量，可能是因为绿肥还田对晚稻CH4排放影响较小［30］，且晚稻季气温高、降雨少，导致土壤含水量低，增加了土壤氧化还原电位，这与前人研究结果一致［31］。综上，绿肥“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施能够抑制CH4排放，且在减施20%时的CH4排放量最低。

本试验结果显示，在“紫云英×油菜”混播还田条件下，与常规施氮相比，氮肥减施能显著减少N2O排放，这与前人研究结果一致［25，32］。且“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施60%时的N2O累积排放量最低，主要是因为外源氮素供应降低，硝化与反硝化反应的基质减少［33］，进而使得N2O排放量降低。不施氮处理N2O出现负排放，究其原因，一方面，绿肥还田后的分解增加了土壤有机质含量，通过固定氮抑制硝化过程使氮损失减少，N2O排放降低。另一方面，土壤中氮素含量较少，将更多N2O还原为N2，导致土壤增加对N2O的消耗，从而出现净吸收现象［34］。如图3所示，在早稻生长前期，N2O排放较少，主要是受到稻田持续淹水造成的厌氧环境的影响，而在水稻生长季中后期，N2O排放通量快速增长，主要是因为稻田处于晒田期，利于硝化、反硝化细菌的生长繁殖，促进N2O排放［35］。此外，晚稻季N2O排放量比早稻季少，主要是因为“紫云英×油菜”混播还田对晚稻季的影响较早稻季小，以及晚稻季气温比早稻季高（图1），且晚稻季试验地总降雨量为15.1 mm，稻田处于干旱状态，氮肥在被作物利用之前必须溶于水，因此有限的氮供应导致N2O排放量降低［36］。综上，绿肥“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施能够减少N2O排放，且在减施60%时的N2O排放量最低。

3.3 氮肥减施对双季稻田GWP及GHGI的影响

综合本研究早晚稻两季结果来看，在“紫云英×油菜”混播还田条件下，与施100%氮肥相比，氮肥减施20%可显著降低GWP（P＜0.05）。与刘章勇等［37］的研究结果一致，即在保证作物产量的前提下，秸秆还田配合氮肥减施20%能够显著降低稻田N2O和CH4排放，同时GWP和GHGI也显著下降。在本研究中，CH4累积排放量与GWP变化趋势一致，相对N2O排放而言，稻田CH4排放对GWP的贡献更大。“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施20%较其他处理降低GHGI效果更明显，这可能是因为绿肥还田后能够为土壤补充多余的养分，从而补充氮肥减少所带来的土壤养分损失［38］，且有研究证明，用紫云英替代25%化学氮能达到最佳减排效果［7］。综上，冬种绿肥“紫云英×油菜”还田可以有效利用冬闲期的光、热、水资源，且秸秆还田后可为土壤提供肥力，改善土壤质量，同时施用合理的氮肥量能够减少温室气体排放通量，进而降低稻田GWP和GHGI。

4 结论

本研究结果表明，与常规施氮相比，“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施20%～40%有助于水稻稳产增产，显著减少温室气体排放，不同氮肥减施水平处理的晚稻季稻田温室气体累积排放量、全球增温潜势、温室气体排放强度均比早稻季低，同时，氮肥减施20%能够显著降低全球增温潜势。因此，在施氮量为150 kg·hm-2的条件下，“紫云英×油菜”混播还田配合氮肥减施20%是一种适合南方稻区推广的低碳稳产施肥模式。